城市智能交通控制系統(tǒng)研究與設計

引言
    根據(jù)中國目前的交通現(xiàn)狀及面臨的問題說明交通控制在經(jīng)濟發(fā)展及城市化進程中的重大作用，并提出發(fā)展智能交通系統(tǒng)的重要目的和現(xiàn)實意義。智能交通系統(tǒng)是一個涉及面廣、綜合各種高新技術的研究領域。以下重點介紹智能交通系統(tǒng)分類及基于多智能體的城市交通控制系統(tǒng)設計。

1 國內城市交通現(xiàn)狀及面臨的問題
    我國城市交通現(xiàn)狀是：城市交通基礎設施建設速度跟不上迅速增長的交通需求；常規(guī)公共交通萎縮；出租車和私人小汽車迅速增加；軌道交通開始起步；交通管理技術水平低。以上問題導致交通擁擠、交通事故、環(huán)境污染、以及能源問題將會日趨嚴重。
    面臨的問題是：車型種類繁雜、混合交通嚴重；自行車等非機動車數(shù)量驚人；城市布局和交通不相適應；出行方式單一、沒有選擇余地；步行困難、事故多發(fā)。

2 城市交通控制的目的和意義
    隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進程的加快和機動車輛的迅猛增加，城市交通問題日益嚴重。城市交通擁擠不僅造成交通事故頻發(fā)、車輛延誤增大，而且進一步帶來能源浪費和環(huán)境污染的加劇，由此引起的不良社會后果更是難以估計。目前，城市交通問題已成為全球經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，是全球性的“城市病”之一。交通控制的目的是要在確定的行政規(guī)范約束下，應用先進的技術手段，采用合適的運作方式來確保公共和私人運輸方式具有最佳的交通條件。具體來說，交通控制的目的表現(xiàn)在以下幾個方面：
    (1)減少交通事故，增加交通安全。通過實施交通控制，可以把發(fā)生沖突的交通流從時間和空間上進行分離，從而減少交通事故，增加交通安全。
    (2)緩和交通擁擠，提高交通效益。合理的交通控制，可以對交通流進行有效的引導與調度，使城市交通流保持在一種平穩(wěn)的運行狀態(tài)，從而避免或減緩交通擁擠，縮短在路車輛的交通延誤，提高交通運輸?shù)恼w效益。
    (3)減少環(huán)境污染，降低能源消耗。實施良好的交通控制，可以減少在路車輛的停車次數(shù)，保持車輛在較佳的狀態(tài)下運行，大大減少尾氣排放和能源消耗。

3 城市交通控制系統(tǒng)的分類
    城市道路交通控制系統(tǒng)可以從不同的角度進行分類，這里分別從空間關系、控制方式上對城市道路交通控制系統(tǒng)簡單分類。
3．1 按空間關系劃分
    從空間關系上可以把城市交通系統(tǒng)分劃為單交叉口控制(點控制)、交通干線的協(xié)調控制(線控制)和區(qū)域交叉口的網(wǎng)絡控制(面控制)三種形式。
    (1)單個交叉口的點控制
    單個交叉口的點控制是一種最基本的控制方式。孤立交叉口點控制的控制參數(shù)是信號周期和綠信比，控制的目標一般是車輛延誤和交叉口的通行能力。在理想的情況下，希望總延誤時間最小和交叉口的通行能力得到最大的利用。由于點控制的設備簡單、投資省、維護方便，至今仍是應用較多的一種信號控制方式。從技術上講，它又分為離線點控制和在線點控制兩種形式。前者采用定時信號配時技術，目前仍然是其他控制方式的配時基礎；后者是交通響應控制或車輛感應控制，它是根據(jù)交叉口各個人口交通流的實際分布情況，合理分配綠燈時間到各個相位，從而滿足交通需求。
    (2)干線交通的協(xié)調控制
    城市路網(wǎng)中的交通干線承擔著很重的交通負荷，保證干線的交通暢通對改善一個地區(qū)甚至一個城市的交通狀況往往起著至關重要的作用。在城市交通路網(wǎng)中，有時交叉口相距很近，兩個相鄰的交叉口之間的距離通常不足以使一小隊車流在有限時間內完全疏散。單個交叉口分別設置單點信號控制時，車輛經(jīng)常遇到紅燈，時停時開，行車不暢，環(huán)境污染嚴重。為了減少車輛在各個交叉口的停車次數(shù)，特別是當干線的車輛比較暢通時，相鄰交叉口之間的控制方案宜采用相互協(xié)調的控制策略。最初協(xié)調信號計時的方法是基于綠波的概念，相鄰交叉口執(zhí)行相同的信號控制周期，主干線相位的綠燈開啟時刻錯開一定的時間，交叉口的次干線在一定程度上服從主干線的交通。
    當一列車隊在具有許多交叉口的一條干線上行駛時，協(xié)調控制使得車輛在通過干線交叉口時總是在綠燈開始時到達，因而無需停車即可通過交叉口，形成一條交通流的綠波帶。綠波控制能有效提高車輛行駛速度和道路通行能力，確保道路暢通，減少車輛在行駛過程中的延誤時間和能源消耗。干線交通協(xié)調控制的控制參數(shù)是周期長度。綠信比和相位差，控制的目標一般是車輛的平均延誤和停車次數(shù)。干線信號協(xié)調控制方法的設計流程圖如圖1所示。

    區(qū)域交通信號控制的對象是城市或某個區(qū)域中所有交叉口的交通信號。隨著計算機技術、優(yōu)化方法、自動控制和車輛檢測技術的發(fā)展，人們研究把一個城市區(qū)域內或一個局部小區(qū)內所有交叉口的交通信號聯(lián)合起來綜合加以協(xié)調控制，以使得區(qū)域內的車輛在通過某些交叉口時所產(chǎn)生的總損失最小。在這種控制方式下，交通信號機將交通量數(shù)據(jù)實時地通過通信網(wǎng)傳至上位機，上位機根據(jù)路網(wǎng)交通量的實時變化情況，按一定時間步距不斷調整正在執(zhí)行的配時方案。上位計算機同時控制一個城市區(qū)域中的多個交叉路口，實現(xiàn)區(qū)域中交叉口之間的統(tǒng)一協(xié)調管理，提高路網(wǎng)的運行效率。通過這種控制方式，容易實現(xiàn)交通路網(wǎng)的統(tǒng)一調度與優(yōu)化管理。區(qū)域信號協(xié)調控制配時優(yōu)化的設計如圖2所示。

3．2 按控制方式劃分
    按控制方式可以把城市道路交通控制分為定時控制、感應控制、自適應控制和智能控制幾種類型。
    (1)定時控制
    定時控制方式以歷史交通流數(shù)據(jù)為依據(jù)，找出每個日／周和時間段的不同交通流變化規(guī)律，用人工方法或計算機仿真等手段預先準備好不同日／周和不同時間區(qū)段內使用的配時方案，它屬于開環(huán)控制，不易根據(jù)車流狀況實時調整控制方案。由于定時控制對交通信號機的要求低，無需實時交通量的檢測，因而仍然是目前城市道路交通系統(tǒng)中應用較為廣泛的一種控制策略。
    (2)感應控制
    感應控制的原理是根據(jù)車輛檢測器測量的交通流數(shù)據(jù)調整相應的綠燈時間的長短和時間順序，以適應交通流的隨機變化。這種方式比定時控制有更大的靈活性。
    (3)自適應控制
    自適應控制是根據(jù)檢測到的有關道路交通信息，并基于預測模型預測到的未來交通需求，從系統(tǒng)信號配時方案庫中選擇相應的優(yōu)化方案，或實時計算產(chǎn)生相應的優(yōu)化控制方案實現(xiàn)交通自動控制。
    (4)智能控制
    嚴格意義上講，智能控制不僅僅是交通信號的控制，而是整個交通系統(tǒng)的控制，即智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)是交通控制的最高層次，它將先進的信息技術、數(shù)據(jù)通訊技術、檢測傳感技術、自動控制理論、運籌學、人工智能和計算機及其網(wǎng)絡等一系列高新技術綜合運用于交通運輸各個子系統(tǒng)，從而建立起一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實時、準確、高效的交通運輸綜合管理體系。智能交通系統(tǒng)把人、車、路和環(huán)境等交通運輸系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)有機整合，從而使車、路的運行功能一體化和智能化。智能交通系統(tǒng)是解決交通問題的必由之路，安全、高效、環(huán)保、低耗、快捷、舒適的綠色交通是智能交通的發(fā)展方向。

4 城市智能交通控制系統(tǒng)設計
    智能是一種應用知識對一定環(huán)境進行處理的能力，或對目標準則進行衡量的抽象思考能力。另一種定義是在一定環(huán)境下針對特定的目的而有效地獲取信息、處理信息和利用信息從而成功達到目的的能力。智能交通系統(tǒng)，是利用人工智能的理論和方法，解決交通問題的綜合系統(tǒng)。人工智能近年發(fā)展的成果，為智能交通系統(tǒng)的研究提供了堅實的理論基礎，可以利用這些成果解決傳統(tǒng)方法無法解決的問題。這是因為：一方面交通系統(tǒng)是結構復雜、影響因素多、隨機性很強的系統(tǒng)，利用數(shù)學方法解決交通問題的難度很大，所建立的模型往往過于復雜，難于求解，同時也很難用一種或幾種模型來概括交通流系統(tǒng)的多樣性。另一方面，交通系統(tǒng)又是一個動態(tài)的時變系統(tǒng)，交通管理與控制的實時性要求非常高。因此，從實際情況出發(fā)，基于數(shù)學描述的交通管理控制方法難以滿足在線實時控制的要求，可操作性較差。而人工智能的方法，借鑒人類求解問題的方法，通過知識的表達、推理和學習解決復雜的問題，將以往用純數(shù)學來描述交通系統(tǒng)轉變?yōu)橛弥R或知識與數(shù)學模型相結合來描述。通過逐步適應環(huán)境的學習能力，來不斷提高管理和控制效果。
    多智能體系統(tǒng)是當今人工智能中的前沿學科，是分布式人工智能研究的一個重要分支，其目標是將大的復雜系統(tǒng)建造成小的、彼此相互通訊及協(xié)調的、易于管理的子系統(tǒng)，通過子系統(tǒng)的自治能力和相互協(xié)調能力來解決復雜系統(tǒng)控制問題。城市區(qū)域交通網(wǎng)絡由于其道路交通規(guī)模的復雜性和交通流動態(tài)特性的實時性，使得將多智能體系統(tǒng)應用到城市交通網(wǎng)絡控制學比較關注的研究課題。本文在此基礎上設計出城市智能交通控制結構圖，如圖3所示。

    圖3中，左邊為基于多智能體的城市交通流系統(tǒng)，右邊為信號控制系統(tǒng)。在交通模型中，路段智能體既具有單個路段流量實時更新的能力，又能夠為相連接的信口提供交通流數(shù)據(jù)，以進行和優(yōu)化信號配時；根據(jù)上級區(qū)域交通流信息進行車流調控，同時通過路口與其他路段進行數(shù)據(jù)交換；與其相對應的信號控制模型中，根據(jù)段智能體提供的信息，進行信號配時，并協(xié)調路段之間交通流的動態(tài)平衡。
    區(qū)域智能體除了具有與路段智能體一樣的功能，如獲取交通流信息，為信號控制數(shù)據(jù)支持；相互之間獨立，能夠單獨運行等特點之外，區(qū)域智能體還能夠根據(jù)區(qū)交通流運行情況，對交通路口進行信號協(xié)調，以最優(yōu)化控制相應路網(wǎng)運行的交通目標，自主決定相應的控制策略，并將信號配時結果及時下發(fā)鸚區(qū)域內每個信號，同時將交通需求和控制效果傳送給上一層決策層，即交通管理中心。區(qū)域智能體在路段智能體和中央管理智能體之間起到承上啟下的作用，與單個路整個交通路網(wǎng)傳遞交通流信息；并與同級其他區(qū)域智能體進行信息交換，為交通控制提供服務。中央管理智能體由城市交通控制決策系統(tǒng)構成。其功能是根據(jù)路網(wǎng)結構、交通檢測及交通阻塞等因素對整個交通路網(wǎng)的運行狀況做出評估，其目的是尋求整個系統(tǒng)的性能指標最優(yōu)，運用其優(yōu)越的推理和規(guī)劃能力使系統(tǒng)運行在最優(yōu)狀態(tài)。在信號控制系統(tǒng)中，路口級信號控制根據(jù)相連接路段智能體的交通流信息，通過控制決策給出路口信號配時。路口級信號控制將路口交通流信息和信號配時傳遞層區(qū)域控制，而上層區(qū)域控制則反饋控制命令，若某一區(qū)域中某一路口在某方向城市交通網(wǎng)絡區(qū)域控制的應用研究上擁擠，區(qū)域控制通過給出控制命令，調節(jié)與其在同一路段上的其他路口信號配時，達到盡快緩解擁擠，減少區(qū)域總體延誤時間的目的。區(qū)域控制之間傳遞的則是該區(qū)域內交通流信息，若某一區(qū)域出現(xiàn)擁擠路口，調節(jié)區(qū)域內以及相鄰區(qū)域信號配時，引導車流分散以緩解擁擠，并通過路邊信息指示牌或交通電臺信號引導車輛分流。而區(qū)域控制與交通控制中心之間傳遞的是區(qū)域交通流信息。調節(jié)路網(wǎng)交通流動態(tài)平衡，并向中央交通控制中心提供信息，以實現(xiàn)城市交通集中與分散的控制方式。

5 結語
    智能交通系統(tǒng)是一個涉及面廣、綜合各種高新技術的研究領域。限于篇幅，本文僅從城市智能交通控制角度論述了一些提高城市道路安全的措施，而未從車輛和司乘人員的角度來開展研究。提高智能交通系統(tǒng)的整體水平需要各行業(yè)協(xié)調發(fā)展，才能共同促進城市交通水平的提高。